2.4.3. Разработка программы для микроконтроллера

Программа, записываемая в микроконтроллер должна выполнять следующие действия:

- инициализировать USB-интерфейс и внутренние переменные;

- производить обмен по шине USB, включая процедуру нумерации и обработку запросов от системы PnP;

- производить выполнение других операций, необходимых для данного проекта.

Для микроконтроллера ATMEL существует несколько компиляторов для языка С и ассемблера. Заголовочные файлы (файлы описания регистров) можно загрузить с бесплатного Интернет источника (http://www.atmel.com/dyn/resources/ prod_documents/c51_include_files.zip). В данной работе используется компилятор IAR для DOS.

Для «заливки» программы в память микроконтроллера используется программатор FLIP. Данный программатор позволяет осуществлять программирование микроконтроллера по интерфейсу USB. Программатор распространяется бесплатно, в комплекте с программой находится драйвер. Для начала работы с микроконтроллером необходимо установить драйвер. После того как мы подключили устройство к ПК, Windows находит новое устройство, затем ОС запрашивает местонахождения драйвера, указываем где находится драйвер (по умолчанию это C:\Program Files\ATMEL\FLIP 2.4.6\usb). После установки драйвера, микроконтроллер готов к работе.

Внутри процессора существуют два загрузчика: пользовательский и аппаратный. Пользовательский позволяет запускать программы, записанные в память микроконтроллера, а аппаратный позволяет осуществить запись самой программы. Последовательность действий такова: стартовать аппаратный загрузчик, записать программу в микроконтроллер, стартовать записанную программу.

2.4.4. Математическое моделирование процесса виброзашумления

Существующее методическое обеспечение реализации и контроля эффективности способов ЗИ с применением активных средств защиты не позволяет в полной мере учитывать все параметры и характеристики элементов канала утечки информации и применимо в большей мере для способов, реализующих маскирующее зашумление, которое не всегда полностью оправдано, так как современные средства, обеспечивающие такое зашумление, предназначены для создания в канале утечки информации только аддитивного шума. Известно, что при воздействии на строительную конструкцию широкополосным шумовым сигналом, близким по своим характеристикам к нормальному шуму, происходит его фильтрация на инерционных элементах (вибропреобразователе и строительной конструкции) с последующим аддитивным наложением на информативный сигнал [4, 10]. При этом, как правило, не учитываются характеристики (в частности динамические и связанные с ними некоторые статические) составляющего элемента канала перехвата информации – самой строительной конструкции, что могло бы позволить создание маскирующей шумовой помехи с высокой эффективностью адаптации к быстроменяющемуся спектру скрываемого сигнала за счет создания и мультипликативной помехи. Это возможно при рациональном использовании диссипативных свойств материалов и структур строительной конструкции при обеспечении защиты акустической речевой информации от утечки по виброакустическому каналу.

Существо данного использования свойств строительной конструкции заключается в следующем.

При специальном воздействии на строительной конструкции, маскирующий шумовой сигнал формируется за счет возбуждения по случайному во времени закону собственных колебаний инерционной системы ("вибропреобразователь – строительная конструкция") с последующим аддитивным и мультипликативным наложением на информативный сигнал в результате проявления параметрического эффекта модуляции этого информативного сигнала. Если учесть, что при специальном воздействии на строительную конструкцию характеристика отклика пропорциональна упругой деформации данной строительной конструкции, то модуляция обусловлена нелинейностью – квадратичной зависимостью величины деформации от момента воздействующей силы (специфичностью проявления диссипативных сил колебательного процесса поверхности строительной конструкции). То есть наблюдается проявления не только аддитивного, но и мультипликативного воздействия на виброакустический информативный сигнал, снимаемый с поверхностей различных строительных конструкций, в результате нелинейного эффекта преобразования составляющих его частотного спектра. При этом наблюдается распределение энергии информативного сигнала по всему его спектру за счет появления модуляционных составляющих мультипликативной помехи, то есть наблюдается перераспределение энергии по гармоникам и субгармоникам.

Таким образом, используемый эффект обусловлен диссипативными свойствами материалов и структур строительной конструкции, которые являются характерными при специальном (импульсном) воздействии на нее и зависят от динамических (физических) характеристик этих конструкций.

В настоящее время существуют модели, обеспечивающие основу для разработки традиционных способов защиты акустической речевой информации от утечки по виброакустическому каналу [4, 6, 12]. В состав таких моделей могут входить:

- модель типового помещения, как ОИ;

- модель источника информативного сигнала;

- модель источника шумового маскирующего сигнала;

- модель приемно-регистрирующего устройства обнаружения и съема информативного сигнала.

В совокупности эти модели должны определять единую модель защиты речевой информации от утечки по виброакустическому каналу.

На основе анализа особенностей процессов виброзашумления при использовании импульсных сигналов, приложенных к строительным конструкциям, и диссипативных свойств этих конструкций разработана математическая модель защиты речевой информации, учитывающая специфические свойства и характеристики строительных конструкций защищаемого ОИ как элемента технических каналов утечки виброакустических информативных сигналов.

Ранее авторами [4] было показано, что для описания процесса виброзашумления комплексную частотную характеристику строительной конструкции целесообразно рассматривать как характеристику, состоящую из двух зависимых звеньев. Это объясняется тем, что при совместном воздействии на строительную конструкцию зашумляющего и защищаемого сигналов наблюдается взаимная зависимость комплексных передаточных частотных характеристик и То есть процесс, описываемый функцией , влияет на передаточную частотную характеристику , а процесс, описываемый функцией , - на передаточную частотную характеристику . Такое рассмотрение характеристик различных строительных конструкций позволит математически описать получаемый результат виброзашумления с учетом специфики свойств самих строительных конструкций и воздействующих сигналов.

На рис. 2.14 показан процесс виброзашумления, где - передаточная комплексная частотная характеристика звукопреобразователя, - передаточная комплексная частотная характеристика датчика виброускорения, - комплексный спектр результата воздействия зашумляющего сигнала, - комплексный спектр результата воздействия защищаемого сигнала.

Рис. 2.14. Обобщенное представление процесса виброзашумления

Конкретизируем обобщенное представление процесса виброзашумления путем введения частных уточнений, основанных на рассмотрении специфики определенных воздействий на строительную конструкцию и с учетом проявления упруго-диссипативных свойств [4].

Опыт разработки и применения перспективных способов и средств ЗИ от утечки по виброакустическому каналу показал актуальность использования импульсных помех [7], особенностью которых является ударное воздействие на строительную конструкцию, активизирующее ее диссипативные свойства [8]. То есть именно те свойства, которые способствуют формированию мультипликативной составляющей шумовой помехи [4].

Рассмотрим указанные выше зависимости передаточных комплексных частотных характеристик и соответствующих звеньев от воздействующих информативного сигнала и импульсного шумового сигнала .

Используем общее выражение для динамической характеристики упруго-диссипативного элемента [4] при условии непосредственного учета внешней воздействующей силы F_в(x,t)

(2.1)

где x - значение координаты смещения элемента строительной конструкции по оси, нормальной к ее поверхности;

t - переменная времени действия сил;

F(x,t) - результирующая сила;

F_y(x) - линейная упругая составляющая результирующей силы;

F_д(x,t) - диссипативная сила.

Применительно к случаю импульсного воздействия [4] это выражение можно записать в следующем виде

(2.2)

где F^Y(x,t) - результирующая сила, возникающая в строительной конструкции при импульсном воздействии;

F_в^Y(x,t) - импульсная воздействующая сила;

c - линейная жесткость элемента строительной конструкции;

b₂ - коэффициент отклика на импульсное воздействие.

Для случая воздействующего информативного сигнала [4] выражение (2.1) можно записать в следующем виде

(2.3)

где F^X(x,t) – результирующая сила, возникающая в строительной конструкции при воздействии на нее информативным сигналом;

F_в^X(x,t) – сила информативного воздействующего сигнала;

b₁ - коэффициент сопротивления.

Отметим, что представление действующих сил рассматривается по одной пространственной координате – в направлении, нормальном к поверхности строительной конструкции, поскольку именно в этом направлении осуществляется эффективное воздействие на строительную конструкцию и снятие со строительной конструкции вибрационного сигнала [4, 6, 12]. В случае трехмерного пространственного представления сил, их необходимо рассматривать как векторные величины, а не только учитывать знак (положительный или отрицательный) воздействия (направление воздействия).

Суммарная результирующая воздействующая на датчик виброускорения сила F^X+Y(x,t) с учетом принципа суперпозиции и принятого допущения будет определяться следующим образом

(2.4)

В идеальном случае, если датчик виброускорения обладает линейной характеристикой преобразования, то искажения силы F^X+Y(x,t) не произойдет. Результирующий сигнал S_p(t) будет определяться снимаемой этим датчиком этой суммарной силы. Причем F^X+Y(x,t) ÷ S_p(t).

Значение координаты смещения x элемента строительной конструкции будет пропорционально амплитуде формируемого результирующего сигнала, то есть суммарная результирующая сила зависит от этого сигнала

F^X+Y(S_p(t))÷ S_p(t). (2.5)

Если эту пропорциональную зависимость представить подробнее, то получим следующее:

(2.6)

где F^Y(S^Y(t)) – сила, зависящая от импульсного шумового воздействия S^Y(t);

F^X(S^X(t)) – сила, зависящая от воздействия информативного сигнала S^X(t), причем F^X(S^X(t)) ÷ S^X(t) и F^Y(S^Y(t)) ÷ S^Y(t).

Пользуясь условием пропорционального соответствия (2.5), запишем выражение для результирующего сигнала S_p(t)

(2.7)

причем по аналогии с выражениями для результирующих сил F^X(x,t) и F^Y(x,t), возникающих в строительной конструкции, при воздействиях информативным сигналом S(t) и импульсным шумовым сигналом S_ш(t), это можно представить следующим образом

(2.8)

Данное выражение справедливо для случая, если звукопреобразователь обладает линейной характеристикой преобразования.

Первый член суммы определяет результат воздействия информативного сигнала S^X(t), обуславливающего соответствующее характерное проявление диссипативных свойств строительной конструкции. Второй член суммы определяет результат воздействия импульсного шумового сигнала S^Y(t), обуславливающего соответствующее характерное проявление диссипативных свойств строительной конструкции [4].

Такие характерные проявления диссипативных свойств строительной конструкции должны учитываться в обобщенном представлении процесса виброзашумления, а звенья передаточных комплексных частотных характеристик, соответственно и , должны содержать в себе обоснованное функциональное описание этих проявлений в частотной области.

Колебательный процесс в системе, составной частью которой является строительная конструкция, описывается модифицированным дифференциальным уравнением Софи-Жермен

(2.9)

где ξ - нормальное перемещение элементарной площадки строительной конструкции;

D - цилиндрическая жесткость на изгиб, которая зависит от толщины h строительной конструкции, модуля упругости E строительной конструкции и числа Пуассона σ и вычисляется следующим образом

(2.10)

Значит, описывая характеристики, обуславливающие процесс колебания строительной конструкции, выражение (2.5) целесообразно записать с учетом ее цилиндрической жесткости:

(2.11)

Исходя из этого, члены выражения (3.8) можно записать следующим образом

1) (2.12)

2) (2.13)

Рассмотрим отдельно комплексное представление спектров результатов воздействия зашумляющего и защищаемого сигналов и на соответствующие звенья с передаточными комплексными частотными характеристиками и совокупной комплексной частотной характеристики строительной конструкции, как на колебательную систему. Исходя из ранее описанного спектрального преобразования [12] и с учетом принятого допущения о линейности характеристики звукопреобразователя, а также на основании выражений (2.12) и (2.13), запишем соответствующие комплексные спектры следующим образом:

_(2.14)

_(2.15)

Как известно, комплексная передаточная частотная характеристика звена колебательной системы определяется отношением комплексного спектра выходного сигнала к комплексному спектру входного воздействия. Причем, с целью определения передаточной комплексной частотной характеристики звена колебательной системы, как правило, рассматривают (используют) входные воздействия с квазиравномерным комплексным спектром. Такой характеристикой обладает сигнал типа "дельта-функция" σ(t), действующий в бесконечно малом промежутке времени (t→0) [11-15].

(2.16)

Учитывая, что интеграл от "дельта-функции" равен единице [15], а время действия сигнала стремится к нулю, это выражение примет вид

(2.17)

Комплексный спектр результата преобразования сигнала "дельта-функции" звеном колебательной системы с передаточной частотной характеристикой в соответствии с вышесказанным вычисляется по формуле

(2.18)

Отсюда выразим , получим

(2.19)

В нашем случае определения передаточных комплексных частотных характеристик звеньев, описываемых характеристиками строительной конструкции, по аналогии с выражением (3.19) можно записать следующее

(2.20)

(2.21)

Исходя из того, что свойства (передаточные частотные характеристики) строительной конструкции определяются ее собственными характеристиками и воздействующими сигналами S_ш(t) и S(t), запишем выражения для передаточных комплексных частотных характеристик и соответствующих звеньев, учитывая выражение для цилиндрической жесткости строительной конструкции.

(2.22)

(2.23)

Рассмотренный процесс виброзашумления с учетом проведенных математических выкладок представим в виде частного представления процесса (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Частное представление процесса виброзашумления

Передаточная комплексная частотная характеристика строительной конструкции (зависящая от параметров воздействующих сигналов) определяется совокупностью последовательно выполняемых операций, как показано на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Функциональное представление передаточной комплексной частотной характеристики строительной конструкции

1) Для защищаемого входного сигнала:

(2.24)

2) Для зашумляющего входного сигнала:

(2.25)

3) Для одновременного воздействия защищаемого и зашумляющего входных сигналов:

(2.26)

Здесь показывает принадлежность слагаемого для умножения на комплексный спектр информативного воздействия, показывает принадлежность для умножения на комплексный спектр шумового воздействия.

Полученное частное математическое описание дает представление процесса виброзашумления с учетом специфики свойств строительной конструкции и рассмотренных помеховых и защищаемых воздействий (сигналов).

С учетом выражения (2.26) для передаточной комплексной частотной характеристики строительной конструкции и частотного представления процесса виброзашумления, а также с учетом рассмотренных выкладок по спектральным преобразованиям [15] запишем выражение для результата виброзашумления S_p(t).

На входе звена, обладающего передаточной комплексной частотной характеристикой могут присутствовать комплексные спектры:

информативного воздействия

(2.27)

шумового воздействия

(2.28) (2.28)

На выходе модели частного представления процесса виброзашумления с учетом выражений (2.27) и (2.28) получим комплексный спектр результата виброзашумления в следующем виде.

(2.29)

Произведем несложные преобразования и получим:

(2.30)

Первый множитель этого выражения соответствует описанию собственных свойств строительной конструкции и включает передаточную комплексную частотную характеристику датчика виброускорения, посредством которого производится съём сигнала результата виброзашумления. Второй множитель представляет собой комплексный спектр входного информативного воздействия. Третий множитель соответствует описанию проявления диссипативных строительной конструкции в зависимости от воздействующего импульсного шумового сигнала с учетом передаточных свойств звукопреобразователя, посредством использования которого формируется вибрационная помеха.

Временное представление S_p(t) результата виброзашумления математически можно описать с использованием теории спектрального анализа [14] и применяя обратное преобразование Фурье следующим образом

(2.31)

На практике для анализа результата виброзашумления [4, 11, 12, 15] используют амплитудно-частотное представление спектра сигнала С(f), выражение для которого можно записать следующим образом

(2.32)

где и - действительная и мнимая составляющие комплексного спектра , соответственно.

Описанное частное представление процесса виброзашумления при использовании импульсных помех поясняет ранее проведенные исследования [4, 11, 12, 15].

Выражение (2.32) позволяет рассчитать результирующий сигнал, при моделировании и воспроизведении которого можно оценить разборчивость участвующей при его формировании речи, что является необходимым при оценке эффективности защиты акустической речевой информации от утечки по виброакустическому каналу [11, 15, 20].